基于FPGA與16XSZ-SYS的軸角編碼板設計

陜西長嶺電子科技有限責任公司產品開發部　梁　猛

基于FPGA與16XSZ-SYS的軸角編碼板設計

陜西長嶺電子科技有限責任公司產品開發部梁猛

在理論分析的基礎上從實際應用出發較為詳實的闡述了基于16XSZ-SYS與FPGA的軸角編碼的設計原理、方案和工程實現。方案的突出優點方位分辨率高，定位精準，借助計算機軟件簡化硬件設計， 調試以及調整零位簡單。稍微改動相應的軟、硬件在同一印制板上可以適應不同天線伺服系統。

雙通道旋變發送機 ，雙速轉換器， FPGA， 軸角編碼

1.引言

軸角編碼板主要完成雷達天線方位的實時精確測量和產生天線旋轉裝置內永磁同步電機伺服系統需求的兩組編碼信號（一組為增量信號用于檢測轉速、位置及旋轉方向；另一組用于檢測磁極位置，帶有絕對信息功能），是雷達天控系統中的重要組成部分。本方案采用雙通道旋轉變壓器，用雙速轉換器進行軸角-數字轉換，并送入FPGA進行編程、處理，然后差分發送至相關組件。軸角編碼板的顯著特點是：6U板卡結構、體積小、供電方便、調試方便；采用具有方位精度高、抗干擾能力強、可靠性高的旋轉變壓器作為角度敏感元件，適合在復雜的電磁環境使用；全數字、低功耗（總功耗小于5W）等。

2.編碼板的構成及工作原理

2.1編碼板的構成

編碼板通過線性DC/AC變換器給軸角轉換器及旋轉裝置內雙通道旋變發送機提供激磁信號，軸角轉換器將粗精旋變信號轉換成16位自然二進制碼方位信號通過電平轉換芯片轉換成16位自然二進制碼方位信號（3.3VTTL）輸入到FPGA，FPGA將16位方位信號通過編程產生兩組編碼信號連同方位信號一起輸出到差分發送芯片，差分發送芯片將兩組編碼信號變為差分信號輸出到伺服模塊，將方位信號變為差分信號輸出到上位機和控制模塊。

2.2旋轉變壓器工作原理

旋轉變壓器作為角度的檢測元件，隨著轉子角位置變化它的輸出電壓跟著變化，在天線伺服控制系統中用于測量位置信息，其基于電磁感應原理而工作， 轉子、定子上皆有繞組， 相互同心， 彼此耦合， 采用正交的兩組繞組。旋轉變壓器的定子和轉子各有兩組繞組在空間上互成90°，正弦繞組、余弦繞組在轉子上，激磁繞組、交軸繞組在定子上。本方案采用的J134XFS001型雙通道旋變發送機由中電21所研制，要技術指標：（1）激磁電壓：26V，激磁頻率：400Hz；（2）極對數：1:16；（3）電氣誤差：粗機≤±20′，精機≤±20″；（4）零位電壓：粗機32mv，精機7mv；（5）消耗功率：≤2W；（6）粗精機零位偏差：18′。

2.3雙速轉換器工作原理

雙速轉換器16XSZ-SYS是中船重工716所研制的一種小型化金屬封裝是單塊混合集成電路，由粗、精兩路旋轉變壓器-數字轉換器、一個雙速處理器（用于粗、精組合、糾錯的）及一個三態鎖存器等組成。該雙速轉換器輸出16位自然并行二進制碼，轉換精度±15″。

雙通道旋變發送機信號送至雙速轉換器，粗機S1、S2、S3、S4正余弦信號輸入粗通道CS1、CS2、CS3、CS4經RDC模塊轉換成14位數字角度量，精機S5、S6、S7、S8正余弦信號輸入精通道FS1、FS2、FS3、FS4經另一個RDC模塊轉換成14位數字角度量，雙速處理器接收兩組數數據進行精、粗組合處理和硬件實時糾錯后，輸出一個16位并行二進制數字送到鎖存器，通過對/ENL、/ENM、/ENH（使能信號）的控制既能輸出一個16位數字的字，又可輸出三個字節。

速度電壓VEL是一個直流模擬信號和輸入軸角角速度成比例，極性與天線轉動方向有關，數碼增大時極性為正，反之為負；幅值跟輸入軸角成正比在±4V時跟蹤速率最高。

禁止信號/INH為輸入信號，內部由上拉電阻接到+5V，當/INH為低電平時， 經150ns延遲，鎖存器內部數據穩定后，可讀取數據；為高電平時鎖存器內部數據進行更新，禁止讀數。/INH只控制輸出數據鎖存器的輸入使能，因此不影響轉換器內部工作。

忙信號BUSY是一個輸出信號，邏輯為“1”表示輸出數據正在變化，不能讀數；邏輯為“0”表示數據穩定，可以讀取數據。

BIT是線檢檢測信號，轉換器工作正常時輸出為高電平；當出現轉換器工作異常、輸入信號、參考連接異常、不能跟蹤系統、或產生大的誤差等情況時，其輸出為低電平。

數據輸出端1～16為自然并行二進制數字輸出，其最高位為1、最低位為16。

2.4FPGA功能及原理

本方案選用的FPGA（EP1C3T144）邏輯資源有2910LE、一個數字鎖相環及13條M4K RAM。該芯片是ALTERA公司為底端用戶打造的一個系列的FPGA，它的優點有成本低、使用方便。

FPGA的軟件編寫是Quartus7.2開發環境下完成的，將16位方位信號通過方位變換和方位計數2組編碼信號：一組U、V、W三相脈沖信號用于檢測磁極位置；另一組A、B、Z增量脈沖信號用于檢測速度、位置和轉動方向。并產生過零信號、定位信號。然后連同方位信號一起輸出到差分發送芯片。

增量信號中A、B信號是與位移增量等值的脈沖信號，脈沖數為16384/周，A、B之間相位相差90°（即正交輸出信號），根據A、B信號的超前與落后判斷出軸的旋轉方向。Z信號是標志信號用作基準點定位，其脈沖寬度為A、B信號的兩倍，旋轉一周產生一個，用于對積累量清零、指示機械位置。

U、V、W信號兩兩之間相差120°，U信號領先V信號、V信號領先W信號，每轉的脈沖數量與旋轉裝置中永磁同步電機的極對數對應。電機磁極位置可以根據U、V、W三相脈沖的高低電平關系判斷。

定位信號：當天線轉到固定角度位置，產生一個高電平，發給驅動模塊用于鎖定天線，保證天線升降過程不碰撞升降口。

2.5外圍電路

電源部分，板子外部由CPCI插座外部提供+24V、+5V、+3.3V電源。用LINERA公司的電壓轉換芯片LT1764AEQ-1.5將+5V 轉到+1.5V為FPGA提供內核電壓。

線性DC/AC變換器：將輸入的直流穩壓24V轉換為交流26V400Hz電壓輸出，為雙速轉換器和雙通道旋變發送機提供激磁信號。本文選用由中船重工716所研制的J5-S24C26MA，具有輸入范圍寬、過載過熱保護、輸入輸出隔離、低諧波失真、高可靠性等優點。

電平轉換芯片SN74ALVC164245DL：將轉換器輸出的方位信號TTL電平轉換為3.3VTTL電平送入FPGA。

差分發送芯片根據需求選用MAXIM公司的MAX3042BEXE、MAX3030EEXE 兩種。MAX3042BEXE由5V供電將A、B、Z、U、V、W信號變為差分信號送入驅動模塊，MAX3030EEXE由3.3V供電將16位方位信號、到位信號、BUSY信號等變為差分信號送入上位機及控制模塊。差分信號具有抗噪聲干擾的能力，可以提高信號傳輸的距離。

3.結束語

本軸角編碼板根據天線伺服系統的需求，設計了由雙速轉換器和旋轉變壓器構成的測角、測速電路，并由FPGA編程產生伺服驅動器所需信號。該板已在某雷達多個型號中得到成功應用，其結構簡單、抗干擾能力強、工作性能穩定、可靠性高的優點，可長期工作于惡劣工況下，并能滿足很高的精度要求。

［1］EDA先鋒工作室.Altera FPGA/ CPLD 設計（基礎篇）［M］.北京：人民郵電出版社，2005.

［2］陳先鋒.伺服控制技術自學手冊［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

［3］盧志剛，吳杰，吳潮.數字伺服控制系統與設計［M］.北京：機械工業出版社，2007.

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［5］黃建國，陳曉.基于雙通道旋轉變壓器的智能編碼器設計［J］.現代雷達，2009，（11）70-76.

梁猛（1982－），男，高級工程師，安徽淮北人，電子科技大學電子工程本科畢業，從事雷達天線伺服系統設計、雷達系統電磁兼容設計。